潮沟边壁坍塌机理及其地貌效应研究

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 边壁侵蚀和坍塌分类

1.2.2 边壁坍塌物理模型试验

1.2.3 边壁侵蚀后退速率经验公式

1.2.4 边壁侵蚀数学模型层级

1.2.5 小结

1.3 研究内容与技术路线

第2章 边壁坍塌机理及其影响因素

2.1 研究方法

2.1.1 边壁坍塌水槽试验

2.1.2 边壁坍塌数学模型

2.2 边壁坍塌过程

2.3 坍塌时段水沙特征

2.3.1 流速、含沙量过程

2.3.2 土体总应力、孔隙水压力、含水率过程

2.4 边壁坍塌的力学机理

2.4.1 模型设置

2.4.2 应力和应变过程

2.5 边壁坍塌模式的控制因素

2.5.1 岸壁高度的影响

2.5.2 相对水深的影响

第3章 边壁坍塌对岸壁的侵蚀后退速率贡献

3.1 研究方法

3.1.1 水动力模型

3.1.2 边壁侵蚀模型

3.2 边壁坍塌对岸壁后退的贡献

3.2.1 水槽试验中岸线变化过程

3.2.2 相对水深对坍塌贡献率的影响

3.3 边壁坍塌作用下的岸壁侵蚀速率预测公式

3.3.1 优化的岸壁侵蚀速率预测公式

3.3.2 公式对比及建议

3.4 边壁坍塌对潮沟拓宽的贡献

3.4.1 模型设置

3.4.2 边壁侵蚀“机会窗口”

3.4.3 边壁坍塌的贡献

3.4.4 水动力、土工参数的影响

第4章 边壁坍塌对弯道的形态演变作用

4.1 弯道“坍塌-迁移”耦合模型

4.1.1 弯道迁移模型

4.1.2 弯道迁移模型和边壁坍塌模型的耦合

4.1.3 模型设置

4.2 边壁坍塌沿弯道的分布特征

4.3 弯道迁移过程中的追赶行为

4.4 边壁坍塌对弯道的迁移速率贡献

第5章 边壁坍塌对潮滩-潮沟系统的地貌演变作用

5.1 潮滩-潮沟系统“水-沙-坍塌-地貌演变”耦合模型

5.1.1 潮滩-潮沟演变地貌模型

5.1.2 边壁侵蚀和坍塌模型

5.1.3 数值方法

5.1.4 模型设置

5.2 往复流作用下的边壁坍塌过程

5.2.1 近岸潮流特征及岸壁剖面形态

5.2.2 坍塌贡献率的沿程变化

5.2.3 往复流的影响

5.3 潮滩-潮沟系统地貌演变

5.3.1 潮滩-潮沟的平面形态演变

5.3.2 潮滩-潮沟的断面形态演变

5.3.3 与现实世界的对比

5.4 坍塌泥沙的作用

第6章 主要结论

6.1 主要结论

6.2 创新点

参考文献

附录A 模型代码

附录B 弹性力学基本概念

附录C 岸壁侵蚀后退速率已发表数据

1.2.2.3孔隙水压力变化

土体性质沿岸壁剖面自上而下呈现出显著差异:水面以上为非饱和状态(不适用于潮汐环境中，尤其是落潮初期)，而在水面下为饱和状态。对于非饱和土，提升孔隙水压力意味着基质吸力的减弱，从而降低土体强度[见式(1.5)]。对于饱和土，由于基质吸力为0，土体的抗剪强度取决于有效法向应力。因此，水位变化引起的饱和土与非饱和土转换可能导致边壁坍塌。例如，Nardi等(2012)研究了水位变化造成的砾石岸壁坍塌过程，如图1.7a所示。不同于黏性土河岸，其破坏通常发生在水位下降时期，Nardi等(2012) 发现水位上升时段的表观内聚力(如基质吸力)降低是引起砾石河岸失稳的主要原因，证明了砾石河岸和黏性土河岸破坏机制的内在差异。针对细颗粒非黏性土岸壁，由于其较高的表观内聚力和抗拉强度，Arai等(2018)观察到更多的悬臂结构和绕轴破坏，如图1.7b所示。他们还指出，Nardi等(2012)报道的砾石流(dry granular flow)并未发生，体现了土体粒径对边壁坍塌模式的影响。

……

本书聚焦潮沟边壁坍塌过程及其地貌效应，开发了具有自主知识产权的物理实验系统以及数值模拟方法。首先，通过水槽试验研究岸壁高度、近岸水深变化影响下的边壁坍塌过程，获取坍塌时段水沙动力及土体性质的变化特征？，分析坍塌影响下的岸壁后退速率，建立边壁坍塌应力-应变模型，从土力学角度剖析边壁坍塌的力学机理阐明不同岸壁高度下的坍塌破坏机制。欺，构建“水-沙-坍塌-地貌演变”耦合模型，分别探究边壁坍塌对宏观地貌单元的平面及断面演变的影响；平面演变方面，模拟潮汐环境下的边壁侵蚀后退过程，揭示潮沟弯道迁移过程中弯道形态和坍塌位置的固有联系；断面演变方面，复演边壁坍塌作用下的潮滩-潮沟系统三维地貌形态，阐明地貌演变中坍塌泥沙的作用机制。